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문제 정의
- SkyPro의 경우 메커니즘 구조상 벽면과 밀착이 어려워 균일한 청소가 어렵고 바람의 영향에 대응할 수 있는 방법이 없다는 단점이 있으며 SkyCleaner는 작업 평면상에서 X, Y축 2자유도 운동만을 허용하고 임의의 방향으로 방향전환이 불가능해 이동 방향에 오차가 누적되어도 보정이 불가능하다는 단점을 갖고 있다. 본 논문에서는 SkyPro와 SkyCleaner로 대표되는 기존의 견인형 및 보행형 유리창 청소로봇의 단점을 보완한 새로운 견인형 및 보행형 이동 메커니즘을 제안한 후 각각의 이동 메커니즘에 대해 시뮬레이션을 통해 성능을 평가하고 결과를 고찰하였다.
- 본 절에서 제시하는 두번째 형태의 견인형 로봇은 일반 견인형 청소로봇에 비해 많은 장점을 갖고 있으나 그 특수한 형태로 인해 건물의 높이가 높아질수록 적용이 어려워질 것으로 생각된다. 시뮬레이션에서는 전체 시스템의 안전성 및 적용 가능한 건물의 높이에 대해 알아보았다. 시뮬레이션에 사용된 로봇은 가로 3m 세로 1m 의 크기를 갖고 100kg의 무게를 갖는 것으로 설정하였다.
- 로봇은 기본 모듈 2개를 연결한 형태로 가로 3m 세로1m의 높이50cm를 가지며 무게는 100kg이다. 시뮬레이션을 통해 로봇이 장애물을 극복하면서 이동할 때의 안정성과 바람의 영향에 대해 알아보았다. 청소 작업의 특성상 로봇이 하단 방향으로 움직일 때에만 벽면과 직접 밀착되어청소를 수행하고 상단방향으로 움직일 때에는 청소 없이 이동만 하게 된다.
제안 방법
- 견인형의 유리창 청소로봇은 로봇 동체의 길이를 늘림으로써 그에 비례하는 청소속도를 얻을 수 있다는 장점을 갖는데 이를 극대화 하기 위해 로봇 자체를 그림 1과 같이 분리 합체가 가능한 모듈 식으로 설계하여 동일한 청소모듈을 이어 붙이는 것만으로 원하는 작업속도를 얻을 수 있도록 하였다. 이와 같이 모둘 개념을 적용함으로써 대형이나 중 소형 건물 모두에 같은 방식으로 접근할 수 있는 유리창 청소로봇의 제작이 가능하다.
- 이러한 측방향 바람의 영향은 로봇동체의 측방향 투영면적을 최소화시켜 바람으로부터 받는 힘을 감소시킴과 동시에 로봇과 바퀴 사이의 정지 마찰력을 높여 로봇이 벽면에서 미끄러지지 않도록 함으로써 최소화 할 수 있다. 다음 장에서 제시되는 시뮬레이션을 통해 견인형 1 로봇의 이동 간 안정성 및 바람의 영향에 대한 안정성을 검증하였다.
- 두 번째 이유는 전체 케이블의 길이가 길어질수록 케이블의 변형이나 진동 등 예측 및 제어하기 어려운 현상이 발생해 전체 시스템의 안전성을 해칠 수 있다는 점이다. 따라서 견인형 2와 같은 특수한 구조는 중층 이하의 빌딩에만 적용하는 것이 적절할 것으로 보이며 다음 장의 시뮬레이션을 통해 견인형 2의 이동 안정성 및 적용이 가능한 건물의 범위를 알아보았다.
- 일반적으로 로봇을 이용한 청소가 가장 용이하며 효과 적인 빌딩형태는 외벽이 평평한 유리로만 구성된 단순한 직육면체 형태의 빌딩이라고 할 수 있다. 본 논문에서 제안하는 견인형 1은 이와 같은 환경에서 고속으로 청소할수 있는 능력에 주안점을 두고 설계되었다. 로봇에 장착된 프로펠러는 빌딩 주위의 바람의 영향을 최소화 시키는 동시에 원활한 작업을 위한 부착력을 제공하는 역할을 하고 있다.
- 본 논문에서는 먼저 기존의 견인형 및 보행형 유리창 청소로봇의 특징에 대해 분석하고 각각의 취약점을 보완한 새로운 이동 메커니즘을 제안한 후 시뮬레이션을 통해 각각의 이동 메커니즘의 성능을 분석하였다.
- 본 논문의 시뮬레이션을 위해 로봇의 강체 동역학 뿐 아니라 케이블의 변형을 고려하기 위해 변형체 해석이 동시에 가능한 Recurdyn V7 시뮬레이션 패키지를 사용하였다. 시뮬레이션에서 로봇의 각 부품은 실제 재료를 고려한 질량을 갖고 조인트에 의해 연결된 강체로 설정하였고 케이블은 2cm의 지름과 1m 당 0.7kg의 무게를 갖는 준 1차원 모델로 설정하였다.
- 4m의 크기로 50kg의 무게를 갖는 것으로 설정하였다. 시뮬레이션을 통해 로봇의 보행 안정성을 알아보았다.
대상 데이터
- 창틀형 장애물만을 갖고 있는 평면 형태의 빌딩에 적용할 수 있는 견인형 로봇은 그림 5와 같다. 로봇은 기본 모듈 2개를 연결한 형태로 가로 3m 세로1m의 높이50cm를 가지며 무게는 100kg이다. 시뮬레이션을 통해 로봇이 장애물을 극복하면서 이동할 때의 안정성과 바람의 영향에 대해 알아보았다.
- 시뮬레이션에 사용된 로봇은 가로 3m 세로 1m 의 크기를 갖고 100kg의 무게를 갖는 것으로 설정하였다. 로봇의 좌우에 설치된 병진조인트는 유리벽면에 대해 수직방향으로 길이를 증가 혹은 감소시킬 수 있어 결과적으로 케이블에 의해 로봇에 가해지는 부착력을 조절하게 되고 시뮬레이션에서 사용된 로봇은 벽면에 수직한 방향으로 최대 1m의 변위를 갖는다. 병진 조인트 변위가 그 이상이 되면 창틀을 넘을 때 로봇에 불필요한 모멘트가 가해져 전복될 우려가 있는 것으로 나타났다.
- 그러나 기존의 견인형 방식 로봇은 벽면 부착능력이 미약해 균일한 청소 결과를 보장하기 어렵다는 단점이 있으며 바람에 취약하다는 것 또한 커다란 단점으로 지적되고 있다. 본 논문에서 제시하는 견인형 1 유리창 청소로봇을 그림 1에 나타내었다.
- 본 논문에서 제시하는 보행형 로봇은 그림 2와 같이 메커니즘을 단순화하여 유리벽면 위에서 보행할 수 있는 형태의 로봇이다. 본 보행형 로봇은 다리와 몸체의 하단에 설치된 진공 흡착 패드를 번갈아 가며 사용하여 유리창 위에서 창틀을 극복하며 이동 할 수 있으며 몸체 하단의 빈 공간에 회전 브러쉬 및 물 분사 장치 등의 청소 장비를 설치하여 청소작업을 수행 할 수 있다.
- 시뮬레이션에서는 전체 시스템의 안전성 및 적용 가능한 건물의 높이에 대해 알아보았다. 시뮬레이션에 사용된 로봇은 가로 3m 세로 1m 의 크기를 갖고 100kg의 무게를 갖는 것으로 설정하였다. 로봇의 좌우에 설치된 병진조인트는 유리벽면에 대해 수직방향으로 길이를 증가 혹은 감소시킬 수 있어 결과적으로 케이블에 의해 로봇에 가해지는 부착력을 조절하게 되고 시뮬레이션에서 사용된 로봇은 벽면에 수직한 방향으로 최대 1m의 변위를 갖는다.
- 보행형 청소로봇은 견인케이블을 제거하고 자체하중을 지지하기 위한 부착장치를 내장하여 견인형에 비해 높은 이동성을갖는다. 시뮬레이션에 사용된 보행형 로봇은 가로 0.7m, 세로 1.2m 및 높이 0.4m의 크기로 50kg의 무게를 갖는 것으로 설정하였다. 시뮬레이션을 통해 로봇의 보행 안정성을 알아보았다.
- 건물의 높이가 높아짐에 따라 수식에 의한 예상치와 시뮬레이션에서 측정된 값의 오차가 발생하는 것은 케이블 자체의 무게가 건물의 높이가 높아짐에따라 증가하나 수식에는 이점이 고려되어 있지 않기 때문이다. 시뮬레이션에서 사용된 로봇의 경우 부착력이 약 50N 이하로 떨어지면 창틀을 넘을 때 로봇과 벽면이 밀착이 되지 않고 흔들리는 모습을 보였다. 따라서 시뮬레이션에서 사용된 로봇은 45m 이하의 빌딩에서사용이 가능하다는 결론을 내릴 수 있다.
이론/모형
- 본 논문의 시뮬레이션을 위해 로봇의 강체 동역학 뿐 아니라 케이블의 변형을 고려하기 위해 변형체 해석이 동시에 가능한 Recurdyn V7 시뮬레이션 패키지를 사용하였다. 시뮬레이션에서 로봇의 각 부품은 실제 재료를 고려한 질량을 갖고 조인트에 의해 연결된 강체로 설정하였고 케이블은 2cm의 지름과 1m 당 0.
성능/효과
- 기존의 견인형 로봇은 벽면에 충분히 밀착되지 않아 균일한 청소가 어렵고 바람의 영향에 취약하다는 약점을 갖고 있으며 기존의 보행형 로봇은 평면상에서 X축, Y축으로의 2자유도 직선운동만을 허용하여 보행 방향의 오차가계속 누적된다는 약점을 갖고 있었다. 본 논문에서 제안하는 견인형 1은 기존의 견인형 로봇에 비해 프로펠러에서 발생한 추력을 통해 벽면과 충분히 밀착된 상태에서 청소 작업이 가능하고 프로펠러의 속도제어를 통해 바람의 영향에 적절히 대응이 가능하다는 장점을 갖는다.
- 이러한 과도한 변위는 기계적으로 만족시키기 어렵다는 점이 견인형 2를 일반적인 고층 빌딩에 적용하기 어렵게 하는 주된 이유이다. 두 번째 이유는 전체 케이블의 길이가 길어질수록 케이블의 변형이나 진동 등 예측 및 제어하기 어려운 현상이 발생해 전체 시스템의 안전성을 해칠 수 있다는 점이다. 따라서 견인형 2와 같은 특수한 구조는 중층 이하의 빌딩에만 적용하는 것이 적절할 것으로 보이며 다음 장의 시뮬레이션을 통해 견인형 2의 이동 안정성 및 적용이 가능한 건물의 범위를 알아보았다.
- 시뮬레이션에서 사용된 로봇의 경우 부착력이 약 50N 이하로 떨어지면 창틀을 넘을 때 로봇과 벽면이 밀착이 되지 않고 흔들리는 모습을 보였다. 따라서 시뮬레이션에서 사용된 로봇은 45m 이하의 빌딩에서사용이 가능하다는 결론을 내릴 수 있다. 이러한 적용 높이의 한계는 로봇 시스템의 기계적 구조나 질량의 변화에 따라 달라질 수 있으나 어느 경우에도 마찬가지의 한계는 존재하게 되므로 평면형태의 고층 빌딩에 대해 일반적인 해결책이 되기는 어려울 것으로 보인다.
- 본 보행형 로봇은 다리와 몸체의 하단에 설치된 진공 흡착 패드를 번갈아 가며 사용하여 유리창 위에서 창틀을 극복하며 이동 할 수 있으며 몸체 하단의 빈 공간에 회전 브러쉬 및 물 분사 장치 등의 청소 장비를 설치하여 청소작업을 수행 할 수 있다. 또한 로봇 중앙에 설치된 회전 조인트에 의해 임의의 방향으로 방향 전환이 가능해 이동 중에 축적된 자세 오차를 보정할 수 있다.
- 로봇의 좌우에 설치된 병진조인트는 유리벽면에 대해 수직방향으로 길이를 증가 혹은 감소시킬 수 있어 결과적으로 케이블에 의해 로봇에 가해지는 부착력을 조절하게 되고 시뮬레이션에서 사용된 로봇은 벽면에 수직한 방향으로 최대 1m의 변위를 갖는다. 병진 조인트 변위가 그 이상이 되면 창틀을 넘을 때 로봇에 불필요한 모멘트가 가해져 전복될 우려가 있는 것으로 나타났다.
- 기존의 견인형 로봇은 벽면에 충분히 밀착되지 않아 균일한 청소가 어렵고 바람의 영향에 취약하다는 약점을 갖고 있으며 기존의 보행형 로봇은 평면상에서 X축, Y축으로의 2자유도 직선운동만을 허용하여 보행 방향의 오차가계속 누적된다는 약점을 갖고 있었다. 본 논문에서 제안하는 견인형 1은 기존의 견인형 로봇에 비해 프로펠러에서 발생한 추력을 통해 벽면과 충분히 밀착된 상태에서 청소 작업이 가능하고 프로펠러의 속도제어를 통해 바람의 영향에 적절히 대응이 가능하다는 장점을 갖는다. 보행형 로봇은 로봇의 중앙에 설치된 회전조인트에 의해 보행 중 누적되는 이동 방향에 대한 오차 보정이 가능하다는 장점을 가지며 견인형 2는 낮고 넓은 형태의 빌딩에 적용할 경우 간단한 구성만으로 청소에 필요한 부착력을 공급할 수 있고 바람의 영향에 강하다는 장점을 갖는다.
- 수식적으로 케이블에 의해 로봇에 가해지는 힘은 식(1-2)와 같다. 수식으로 예상할 수 있는 바와 같이 시뮬레이션에서도 건물의 높이가 한계치 이상이 되면 케이블에 의해 로봇에 가해지는 힘이 필요한 양보다 작아지게 되어 로봇과 벽면간에 완전한 밀착이 이루어 지지 못하는 것을 관찰할 수 있었다.
- 안전 계수를 1로 설정하여 구한 진공 패드의 지름은 약 4cm이며 안전계수를 4로 설정하면 약 8cm의 진공 패드 지름을 갖게 된다. 시뮬레이션 결과 보행형 로봇은 충분한 진공 압력이 공급될 경우 높은 보행 안정성을 보여주는 것으로 나타났다.
- 시뮬레이션 결과 지름 8cm의 진공패드를 갖는 보행형 로봇은 거의 슬립이 일어나지 않는 것을 관찰할 수 있다. 그림 11은 안전계수를 1로 했을 때의 보행형 청소로봇의 변위를 나타낸 것 으로 보행중 진공패드와 벽면 사이에 약간의 슬립이 발생하여 안정성이 저해되는 것을 알 수 있다.
- 이를 위해 로봇의 이동 중에 Θ가 일정하게 유지되도록 빌딩 상하단에 설치된 도르래의 수평 위치와 로봇의 좌우에 부착된 병진조인트의 변위를 조절함으로써 작업 중에 부착력이 일정하게 유지되도록 하는 것이 가능하다.
- 장애물 극복능력에 있어서는 본 논문에서 제안한 견인형 및 보행형 이동 메커니즘 모두 아직 제한된 수준의 성능을 보이고 있다. 이는 완전한 장애물 극복능력보다는 비용과 현재 기술 수준을 고려한 실용성을 우선순위에 두었기 때문이며 높은 수준의 장애물 극복능력을 위해서는 차후 지속적인 연구와 메커니즘 개발이 필요할 것으로 보인다.
- 청소 작업의 특성상 로봇이 하단 방향으로 움직일 때에만 벽면과 직접 밀착되어청소를 수행하고 상단방향으로 움직일 때에는 청소 없이 이동만 하게 된다. 직진 운동에 대한 시뮬레이션 결과 프로펠러로부터 발생한 추력에 의해 로봇이 벽면과 밀착되어 안정적인 이동이 가능한 것을 알 수 있었다. 창틀의 경우 개폐가 불가능한 유리창 창틀의 평균 높이인 3cm 및 개폐가 가능한 유리창 창틀의 평균높이인 7cm를 무난히 극복하는 결과를 보여주었다.
- 직진 운동에 대한 시뮬레이션 결과 프로펠러로부터 발생한 추력에 의해 로봇이 벽면과 밀착되어 안정적인 이동이 가능한 것을 알 수 있었다. 창틀의 경우 개폐가 불가능한 유리창 창틀의 평균 높이인 3cm 및 개폐가 가능한 유리창 창틀의 평균높이인 7cm를 무난히 극복하는 결과를 보여주었다.
- 이러한 구조를 사용함으로써 얻을 수 있는 장점은 세 가지 이다. 첫째 로봇의 이동을 위한 크레인과 같이 무거운 이송장치를 건물 상단까지 옮길 필요가 없으며, 둘째 로봇 자체가 케이블에 의해 고정되어 있기 때문에 일반적인 견인형 청소 로봇과는 달리 바람에 의한 미끄러짐이나 로봇 자체의 진동, 케이블의 진동 등 안 정성을 위협하는 요인에 대해 강한 특성을 갖는다는 것이다. 세 번째 장점은 부착력을 제공하기 위해 프로펠러 등 여분의 장치가 필요 없고 케이블 자체가 부착력을 제공하여 로봇과 벽면이 쉽게 밀착되도록 할 수 있는 점이다.
- 그림 6은 5㎧의 진폭을 갖는 사인파 형태의 바람이 벽면에 수직으로 불 때 바람에 의해 로봇에 가해지는 힘과 이에 대한 제어의 결과로써 프로펠러 추력의 변화를 보여준다. 프로펠러 추력이 바람에 의한 힘을 적절히 상쇄하여 이의 결과로써 벽면과 로봇 사이의 접촉력이 일정한 범위 내에서 유지되는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 본 논문에서 제시하고 있는 이동 메커니즘의 실제 운용에 있어서는 시뮬레이션에서 발견하지 못한 문제의 가능성을 무시할 수 없다. 따라서 실용화를 위해서는 고층 빌딩 벽면에서 발생할 수 있는 난류 현상 등 시뮬레이션 단계에서 포함하지 않은 복잡한 유동 현상에 대한 실사나 청소인력과의 인터뷰 및 반복적인 실험에 의한 데이터 축적이 필요할 것으로 생각된다.
- 장애물 극복능력에 있어서는 본 논문에서 제안한 견인형 및 보행형 이동 메커니즘 모두 아직 제한된 수준의 성능을 보이고 있다. 이는 완전한 장애물 극복능력보다는 비용과 현재 기술 수준을 고려한 실용성을 우선순위에 두었기 때문이며 높은 수준의 장애물 극복능력을 위해서는 차후 지속적인 연구와 메커니즘 개발이 필요할 것으로 보인다. 본 논문에서 제시하고 있는 이동 메커니즘의 실제 운용에 있어서는 시뮬레이션에서 발견하지 못한 문제의 가능성을 무시할 수 없다.
- 5cm정도의 슬립이 발생하는 것을 관찰하였다. 이러한 결과는 연직 상방향 뿐 아니라 연직 하방향 및 임의의 방향에 대해서도 동일한 결과가 나타났으며 이러한 패드의 슬립현상은 패드의 재질이나 형상, 유리창 표면의 상태나 내부 압력 등 수많은 변수에 의해상이한 결과가 나올 수 있어 정확한 데이터를 얻기 위해서는 실제 반복적인 테스트가 필요할 것으로 보여진다.
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